上海軌交14 號線盾構穿越工程風險分析與控制管理

盧紅舟

0 引言

根據上海地區的地質特點，目前上海地鐵區間隧道主要采用盾構法施工，其中最常采用土壓平衡式盾構機械施工。盾構法作業是在鋼殼體保護下完成隧道掘進、出渣、管片拼裝等作業，由主機和后配套設備組成的全斷面機電一體化推進式設備進行全機械化施工的方法。地鐵盾構法隧道施工技術難度大、質量要求高、不可預測的風險多。

1 工程概況

上海軌道交通14 號線是目前路網中繼1、2 號線之后的一條A 型車8 節編組大運量的東西向的市區級的軌道交通線路。線路全長38.514 km，均為地下線，共設31 座車站，平均站間距1.273 km。本工程為上海軌道交通14 號線21 標工程盾構區間工程，包括錦繡東路站～金港路站、金港路站～金粵路站、金粵路站～桂橋路站三個盾構區間及五個聯絡通道土建工程，設計里程為CK34+446.485～CK38+034.486。 區間設計均為雙線圓形隧道，隧道內徑為5.9 m、外徑為6.6 m、管片寬度為1.2 m，分為6 塊。

2 盾構區間施工環境風險分析

2.1 盾構穿越建（構）筑物

1）金粵路站～桂橋路站區間盾構下穿許家溝橋，與橋梁基礎最小距離約2.9 m，隧道頂端到橋梁底部最小凈距離5.3 m，屬于淺覆土穿越，盾構推力控制不好容易對橋梁結構造成損害。

（1）沉降引起橋梁底板和側墻開裂風險。

本段隧道施工，如果盾構推力以及土壓力控制不好，容易造成土體隆起，引起橋梁底板和側墻變形，易造成結構開裂。

（2）引起橋梁不均勻沉降風險。

許家溝橋寬20 m，長42 m，盾構機本體長7.66 m，直徑6.76 m，穿越位置位于橋體中間位置，主要沉隆影響范圍為軸線左右各15 m，這樣會對橋體造成不均勻沉降影響。

（3）淺覆土施工盾構穿越后引起隧道上浮的風險。

區間頂部至橋梁底部凈距離為5.3 m，盾構直徑為6.76 m，不足1 倍D 的覆土要求屬于淺覆土掘進，成型的隧道具有上浮的危險。

2）盾構穿越中環線高架。

錦繡東路站～金港路站區間穿越中環線高架，高架樁基采用鉆孔灌注樁，樁長約50 m、樁徑φ800 mm，承臺與隧道邊線水平凈距最小約12 m，隧道頂距承臺底最小垂直靜距約8 m。且承臺樁基與隧道上、下行線的位置分別為74～82 環及92～99 環之間。在盾構推進過程中若施工措施不當，容易發生以下風險。

（1）在盾構大刀盤動力作用下，極易破壞土體結構，使土體強度驟然降低，從而降低地基承載力，使得土層沉降變形量增加，導致緊鄰的樁基出現沉降、傾斜等風險。

（2）由于盾構距離樁基較近，盾構大刀盤推力、盾構土壓力、出土量、同步注漿量、糾偏等均會對樁基產生影響。

2.2 盾構穿越重要地下管線

金港路站～金粵路站盾構區間需穿越原水管線，該原水管分布于申江路西側錦繡東路道路下，橫穿錦繡東路，鋼管2 根，直徑Φ3 600 mm，管底高程為-8.8 m，盾構區間從原水管下垂直穿越，盾構頂部與原水管底部最小豎向凈距約4.22～4.31 m。

原水管道作為城市大型供水基礎設施，其重要性不言而喻，因此施工過程中對原水管渠的保護及安全監測顯得非常重要。盾構推進擠壓土體而產生的超孔隙水壓力，可能引起地面局部隆起；盾構通過后的土體應力及孔隙水壓力減弱，會引起順隧道軸線方向產生一定程度的沉降帶，由此可誘發隧道上方地面發生局部沉降或差異沉降，造成地下管線變形開裂風險。

3 盾構掘進影響分析

3.1 施工影響范圍計算

盾構施工對周邊環境的影響范圍采用Peck 經驗公式和相關修正的Peck 公式，預測隧道施工影響范圍和地表沉降分布規律。由于Peck 假定的是不考慮土層降水情況下的地面沉降，因此地層損失的體積就等于沉降槽體積且地層損失均勻分布在隧道長度上。

3.2 地表變形的規律

根據盾構施工特點，地表隆陷變化過程可分為五個階段。

（1）盾構到達前，若土倉壓力較大、出土量較少，則地表隆起；反之，呈沉降狀態。

（2）盾構到達時，地表變化速率增大，變形規律同第一階段，地表隆陷出現最大值。

（3）盾構通過時，地表一般會發生沉降；但如果此階段及時注漿且充填率大于200%時，地表易隆起。

（4）盾尾通過時，最容易發生地表突沉現象，沉降量可達30 mm；為有效控制突沉甚至上隆，此階段可及時注漿，隨后待漿液固結收縮后會有少量下沉情況。

（5）盾尾通過后，地表沉降速率減緩并趨于穩定。此階段沉降量主要由土體固結和次固結沉降引起，相對較小且持續時間較長。

3.3 地表沉降因素

隧道穿越引起的地表沉降主要有兩方面因素。主要因素是盾構蛇行糾偏引起的土體損失、開挖面土壓不平衡引起的土體損失、盾尾與襯砌環之間的空間未能及時充填引起的土體損失；次要因素是注漿材料固結收縮、隧道滲漏水造成土體的排水固結、襯砌環變形和隧道縱向沉降、土體擾動后重新固結[1]。

3.4 確定地表變形的控制標準

根據國、內外盾構施工經驗，結合本工程周邊實際環境情況，本工程盾構穿越的地表隆陷控制標準如下，單點隆陷范圍：土層損失率控制在5‰；單次隆陷≤3 mm，累計沉降±10 mm。

4 技術、風險管控要點

4.1 施工準備階段

盾構掘進前，全面調查沿線施工影響范圍內的地下管線及許家溝橋、中環高架等重要建（構）筑物，詳細收集并整理保護對象的名稱、位置（里程）、結構類型等相關參數及資料；按設計、規范及權屬部門要求，確定單次及最大沉降量、不均勻沉降標準及沉降預警值，全程做好保護對象和土體監測各項準備工作。

4.2 施工穿越階段

4.2.1 控制盾構正面土壓力

土倉中心土壓力值要根據埋深及土層情況設定，壓力波動偏差范圍±0.02 Mpa。盾構穿越時的土壓值要結合地表監測結果及模擬段施工時獲取的最佳參數來確定，同時要根據地面監測信息及時調整土壓力及出土量，最大限度減小土體的位移和擾動。

4.2.2 控制推進速度

千斤頂的推進速度是通過土壓傳感器的數據來控制，并匹配好刀盤轉速、推進速度、出土速度和注漿速度，按照2-3 cm/min 的速度勻速推進；穿越過程按每日6 環左右推進。

4.2.3 控制出土量

在盾構穿越時，將實際出土量控制在理論值的95%以下，以使盾構切口上方土體微量隆起（不超過1 mm），這樣后期土體部分沉降量可被抵消，最大限度減少土體沉降量。

4.2.4 控制同步注漿

盾尾通過后，首先采用同步注漿來及時對管片與土體之間的空隙進行充填，需做好以下控制：（1）使用和易性好，泌水性小的可硬性漿液，做好漿液配比設計及優化。（2）同步注漿量須嚴格把控、一般控制在空隙的150%～200%范圍，同時注漿壓力按0.3 MPa 左右控制。（3）注漿孔位、漿液用量及注漿壓力要結合前一階段用量及監測數據進行動態跟蹤、合理調整，并保證同步注漿的連續、勻速壓注，推進未結束不得停止注漿。

4.2.5 控制盾構姿態及糾偏量

同步注漿及二次補漿是控制地面沉降的主要因素，穿越時良好的盾構姿態、均勻的盾尾間隙是盾構順利推進和穿越的基本保障，否則易發生盾尾處漏漿、引起地面沉降。另外為防止漿液通過盾尾流失，可加大壓注盾尾油脂量。對于盾構平面或高程的每環糾偏量控制在10 mm 以內、變坡不超過1‰，否則將會增加建筑空隙及超挖現象，增大對地層的擾動。

4.3 穿越后的措施

4.3.1 二次注漿

同步注漿后，漿液可能會沿土層裂隙滲透，導致仍然存在一定的間隙。漿液收縮變形也會帶來一定程度的土體側向位移和地面變形，土體受擾動后會造成地面沉降。此階段可在管片脫出盾尾5 環后，根據監測數據采用二次注漿的方法填充管片后空隙。二次注漿根據地層情況選擇漿液材料及配比，注漿量及注漿壓力結合地面監測情況隨時調整。漿液可采用雙液漿、配比可為:水泥漿水灰比為0.8∶1（質量比）、水玻璃溶液配比為水玻璃:水 0.6∶1（體積比）、水泥漿液:水玻璃溶液 1∶1（體積比）；注漿壓力 0.3 MPa～0.5 MPa。

4.3.2 地面注漿加固

完成穿越后繼續對保護對象及周邊環境進行監測及24h巡視，一旦發現異常現象、及時采取地面注雙液漿的方式加固。具體的漿液配合比、注漿量及壓力通過現場試驗確定，同時也應加強各方面監測、以便指導注漿。

4.4 監測技術

主要開展的監測項目有地表沉降，建筑物（地下管線）沉降、水平位移、傾斜、裂縫。監測點布置按設計要求及監測規范進行。監測頻率，一般情況下掘進面前后＜20 米時1～2 次/天；掘進面前后＜50 米時 1 次/2 天；掘進面前后＞50 米時 1 次/1 周；當盾構穿越重要地段需要加強的地方可以適當加強測試次數及頻率，并根據實際變形情況進行適當的調整。變形控制標準要求地表沉降≤30 m、地表隆起≤10 m、建筑物傾斜≤2‰；當隧道施工推進通過一倍洞徑時，變位速率≤5 mm/d，并結合相關權屬單位的要求。本工程按二等監測精度要求進行。根據同類工程經驗，以控制基準的2/3 作為報警值，實際以管理單位提供數據為準。

5 結束語

盾構穿越過程中，由于嚴格控制了切口土壓力以及相關的推進速度、總推力、出土量等參數，盡量減少土壓力的波動；及時調整盾構施工參數，嚴格控制盾構糾偏量，減少盾構的超挖和欠挖、減少盾構施工對土體的擾動和地層損失，在確保盾構正面沉降控制良好的情況下，使盾構均衡勻速施工，及時進行合理的同步注漿及二次注漿等措施、充填盾構推進留下的空隙，減少了地層損失、從而避免對樁基礎、結構、地下管線及周邊環境等造成破壞，本工程三個盾構區間隧道均按計劃順利圓滿貫通，為今后盾構穿越工程施工積累了一定的經驗數據和管控方法。